Климатические катастрофы: пособие по физике для старших школьников и младших студентов

Положительная обратная связь

Действие альбедо на климат возникает благодаря «положительной обратной связи». Что такое обратная связь? С действием положительной обратной связи можно столкнуться на музыкальных концертах. Существует всем известный эффект: внезапно музыкальные колонки начинают свистеть, гудеть и т.д.

Эти самопроизвольные помехи возникают благодаря положительной обратной связи между музыкальной колонкой и микрофоном, рис.13.

Рис. 15. Положительная обратная связь может возбудить колебания ауди-системы

Звук самовозбуждения возникает на определенной частоте. Период колебаний равен времени, которое необходимо, чтобы звуковая волна дошла от громкоговорителя до микрофона. То есть период колебаний должен быть равным расстоянию от источника до приемником звука. При этом возникает резонанс. Дополнительное условие самовозбуждения: коэффициент усиления должен компенсировать ослабление звука при движении по воздуху.

Существует в природе и отрицательная обратная связь – она направлена на компенсацию внешнего воздействия. Рассмотрим, например, движение самолета. Под действием восходящих и нисходящих полетов он должен изменять направление своего движения. Однако благодаря влиянию автопилота возникает отрицательная обратная связь, которая компенсирует действие ветров. Чем сильнее восходящий поток, тем сильнее руль самолета направляет его вниз.

Отрицательную обратную связь с климатом пустыни создают оазисы. Действие этой связи и механизмы формирования локального климат автор предлагает читателям самим найти в литературе.

Рис.16. Оазис Бискара в пустыне Сахара демонстрирует отрицательную обратную связь, которая компенсирует жаркий климат местности, https://img.tourister.ru/files/6/7/6/0/1/7/3/original.jpg

Важное отличие Земли от других планет состоит в том, что альбедо и климат нашей планеты способны создавать ощутимую положительную обратную связь.

Действие альбедо на возникновение или исчезновение ледникового периода означает следующее. Общее («эффективное») альбедо Земли определяется в значительной мере количеством заснеженных белых областей и белых облаков. Чем больше «белого», тем меньше тепла получает планета. В свою очередь, понижение средней температуры увеличивает общее количество снега. Таким образом возникает взаимо-формирующая связь альбедо и климата. То есть количество льда и облаков зависит от климата, а климат зависит от альбедо.

Вот так и возникает механизм роста ледников. Чем ниже температура, тем больше снега. Чем больше снега, тем выше альбедо. Чем выше альбедо, тем холоднее. Чем ниже температура… и т.д. В этой цепочке «положительной обратной связи» и заключен один из основных факторов оледенения. С точки зрения термодинамики этот процесс – синергетический, самоподдерживающийся.

При этом существует и обратная возможность. Чем теплее, тем меньше льда. Чем меньше льда, тем теплее и т.д. Таков один из механизмов разрушения ледниковой эпохи.

Однако до настоящего времени ведутся ожесточенные споры, почему

не сохраняются либо ледниковый, либо теплый климат, почему колебания климата существуют и почему их период равен примерно 100 тысяч лет.?

На рис.11 видно, что хорошо прослеживается период колебаний средней температуры Земли, примерно равный 100 тыс. лет. Должен существовать дополнительный фактор, действующий на климат с указанным периодом. Таким механизмом может быть эффект прецессии, Миланковича. Рассмотрим его в следующем разделе.

Эффект прецессии

Сербский астрофизик М. Миланкович обратил внимание, что существует механизм, который с периодичностью 25 тысяч лет меняет освещение Солнцем южного полушария. В основе работы этого механизма лежат две особенности движения Земли по своей орбите, рис.17.

Во-первых, существует явление прецессии, которое заключается в том, что ось вращения Земли колеблется с периодом, примерно равным 25 тыс. лет. В частности, сейчас ось вращения «указывает» на Полярную звезду, а 12 тысяч лет назад она была направлена на звезду Вегу, рис. 17.

Во-вторых, орбита Земли не круговая, а эллиптическая, то есть ее расстояние до Солнца в течение года меняется, в пределах 5 процентов. Схема движения Земли вокруг Солнца и изменения направления оси вращения представлена на рис.17.

Необходимо также учитывать, что южное полушарие Земли содержит больше океанов, чем северное. При этом океаны имеют в среднем меньшее альбедо, чем суша и поэтому южное полушарие лучше аккумулирует солнечное тепло. Кроме того, благодаря циркуляции течений на поверхности южных океанов не происходит их оледенение.

Рис.17. Схема движения Земли вокруг Солнца

На рисунке 17 можно видеть, что в настоящий период геологического времени Земли лето в южном полушарии – наиболее теплое за последние 12 тысяч лет. Таким образом, количество тепла, поглощаемого южными океанами Земли, колеблется с периодом, примерно равным 25 тысяч лет. Однако период чередования ледниковых периодов составляет около 100 тысяч лет, то есть в четыре раза больше. Все же, рассматривая внимательно рис.11, можно заметить колебания средней температуры с периодом 25 тысяч лет, однако лишь некоторые из потеплений реализуется в форме исчезновения ледников северного полушария. Почему? Причина связана, возможно, с наличием других механизмов климата. Важнейший среди них – парниковый эффект.

Эта тема – наиболее обсуждаемая в средствах информации, когда речь идет о климате. С механизмом парникового эффекта, создаваемого деятельностью людей, связываются наиболее существенные его изменения. Однако, в силу наличия значительного числа публикаций, мы ограничимся рассмотрением лишь ключевых эффектов.

Парниковые шубы планеты

На рис.18 представлены результаты последних измерений концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, существовавшие в течение последних 400 тыс. лет. Их изменения сопоставляются с изменениями температуры, представленными выше, на рис.11.

Рис.18. Изменения температуры (синие линии) и концентрации углекислого газа (зеленый цвет), Википедия

Рисунок показывает, что понижение температуры «синхронно» сопровождается уменьшением концентрации углекислого газа, CO2. Отметим, что именно он считается одним из важнейших парниковых газов планет солнечной системы. Парниковый эффект состоит в следующем.

Поглощение солнечного тепла зависит еще и от действия атмосферы. Воздух прозрачен лишь для видимого света и радиоволн. Потому-то живые организмы и «выбрали», в процессе эволюции, этот диапазон электромагнитного излучения для своих органов зрения. В условиях Земли основное тепловое излучение относится к инфракрасному диапазону. Оно невидимо нами, но играет важнейшее значение для климата.

Самое существенное свойство ИК-излучения, это то, что оно поглощается в основном трех- и много-атомными газами. То есть кислород O2 и азот N2 прозрачны для него, а углекислый газ CO2 , водные пары H2O, озон O3 , сернистый газ SO2 сероводород H2S и метан C H4 – непрозрачны.

Рассмотренные трехатомные газы называются парниковыми, потому, что они позволяют накапливать энергию излучения Солнца на Земле так же, как полиэтиленовая пленка накапливает тепло в парнике на огороде. Действие этих газов объясняется тем, что видимые лучи проходят сквозь них и нагревают поверхность Земли (рис.19). Нагретая поверхность преобразует эту энергию в инфракрасное тепловое излучение. Далее парниковые газы задерживают инфракрасное излучение. Парниковые газы – это шуба Земли и Венеры. На Марсе так холодно, потому что там нет этой шубы. Его поверхность – «голая».

Рис.19. Схема действия парниковых газов, зеленая стрелка – видимый солнечный свет, красные стрелки – инфракрасное излучение

Эффект действия парниковых газов хорошо известен в практической деятельности людей. В частности, земледельцы перед заморозками зажигают костры в садах, создавая тепловую завесу в виде углекислого газа. Известен также прием обрызгивания садов водой. Пары воды – тоже парниковый газ.

Расчеты показывают, что если бы не было парниковых газов, то средняя температура Земли составляла бы около – 20 °C. В действительности же она равна +14 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 34 °C. Подобным образом, разреженная поверхность Марса также получает добавку, связанную с парниковым эффектом, но она невелика, 8 °C. Что касается Венеры, то по современным представлениям именно парниковый эффект и приводит к повышению ее температуры более чем на 500 градусов.

Сдует отметить, что атмосфера Земли содержит ничтожную часть общего количества углекислого газа Земли. В частности, в океанах растворено в сто раз большее его количество, чем в воздухе. Еще больше, на несколько порядков величины, его содержится в известняке, мраморе и доломите, в форме Ca CO3 и Mg CO3 , рис.20.

Влияние парниковых газов на изменения климата Земли обусловлено в частности тем, что углекислый газ обладает способностью поглощаться океанами и земной корой и покидать их. По мнению автора брошюры, важнейшая физическая проблема будущих исследований климатических катастроф – это необходимость математического описания процессов поглощения и обратного выделения углекислого газа.

Важнейшая особенность этого процесса – обратимость. Нетрудно (в заводских условиях) «газировать» обычную воду углекислым газом. В закрытой бутылке он никак себя не проявляет. Однако, если открыть пробку, начнется бурное выделение пузырьков газа. Океанская вода также поглощает и выделяет углекислый газ.

Количество поглощаемой водой углекислоты зависит от температуры. При охлаждении газ абсорбируется, а при нагревании – выделяется. Океаны представляют огромные механизмы, которые могут либо поглощать CO2 в глубинах океанов, либо извлекать их оттуда.

Рис.20. Альпы состоят из углекислого газа, заключенного в белом доломите, https://1peak.ru/upload/iblock/25c/dolomites_tre_cime_lavaredo_italy.jpg

Кроме того, существуют механизмы превращения углекислого газа в твердые минералы, называемые карбонатами. Морские моллюски и кораллы поглощают углекислый газ и строят из него свои панцири, состоящие из солей кальция и магния. Отмершие остатки живых организмов превращаются в течение миллионов лет в известняк и мрамор. Существуют и химические реакции образования карбонатов, https://www.geolib.net/lithology/karbonatnye-porody.html .

Можно сделать вывод, что выделение достаточного количества углекислого газа из океанов может прекращать очередной ледниковый период. Однако известно, что такие процессы, так же как возникновение ураганов до сих пор является математически непредсказуемым синергетическим явлением.

Более подробное описание механизмов движения углекислого газа в атмосфере и в гидросфере Земли выходит за рамки настоящей брошюры. Обратимся далее к следующему механизму, обнаруженному десять лет назад – процессам накопления и разложения метан-гидратов.

Метан-гидратное ружье

Метан C H4 – парниковый газ, на порядок более мощный, чем углекислый газ. Он образуется в процессах гниения растительных и других органических остатков. В последние годы экологи обнаружили, что «вечная» мерзлота Сибири содержит огромные запасы «законсервированного» метана. Дело в том, что этот газ при низких температурах способен химически соединяться с водой, образуя твердое аморфное вещество «метан-гидрат», похожее внешне на парафин. При нагреве выше 7 градусов Цельсия он разлагается, выделяя исходные метан и воду.

Рис.21. Воронка после «взрыва» метангидрата, https://www.techcult.ru/science/8721-na-yamale-najden-gigantskij-proval-v-zemle

В некоторых случаях это происходит взрывным образом, создавая воронки, изображенные на рис.21. На краю воронки видны исследователи. Работы экологов последних лет показали, что приполярная тундра в настоящее время выделяет повышенное количество метана.

Поиск метан-гидратов по всей нашей планете привел к выводу, что дно океанов в настоящее время является хранилищем огромных количеств метана. Его возможным источником послужили реки, которые в течение сотен тысяч лет сбрасывали в океан органические остатки. Их гниение на глубине, превышающей 250 метров, приводило к формированию слоев метан-гидрата.

При этом существуют две новости. Первая – хорошая. Она означает, что человечество имеет альтернативный источник углеводородов. Их разведанные количества в два раза превышают нефтяные, рис,22. Плохая новость – возможно их внезапное разложение, имеющее взрывной характер. Геофизики назвали это вероятное происшествие – «метан-гидратное ружье». При этом возможны глобальные пожары на побережье океанов и дальнейшее глобальное потепление. Существует предположение, что гибель мамонтов и культуры Кловис в Америке 13 тыс. лет назад связана с метеоритом и катастрофическим горением метана, https://rgdn.info/gibel_kultury_klovis_i_zagadka_pozdnego_driasa .

Рис.22. Месторождения метан-гидратов в море и на суше, красные и желтые точки, соответственно, Википедия

Солнечный ветер

Существует невидимый глазом источник тепла, изменение которого приводило к катастрофе, которая называется «Малый ледниковый период». На рис.23 изображена река Темза в районе Вестминстерского аббатства. Сверху – копия картины Абрахама Хондиуса, внизу – современная фотография. Характерная башня аббатства видна на обоих изображениях, но разница в климате Англии – поразительная!

Во всей Европе в 16-м -17-м веках в Европе был жуткий голод, длившийся 40 лет. Он был вызван тем, что резко похолодало. По 2-3 года подряд не бывало лета и, соответственно, урожая. Люди ели друг друга из-за голода, а не в силу своей испорченности. На Руси тоже был голод, беспорядки. Бориса Годунова убили не за царевича Димитрия, а потому что на Руси был голод. Годунов был великим государем. Его гибель привела к страшным историческим последствиям – Смутному Времени, завоеванию Москвы поляками, гибели сотен тысяч людей, разрушению государства и экономики.

Следует отметить, что похолодание, выраженное в средней на Земле температуре, составило всего лишь один градус! Вернемся к рис.11. Изменение температуры при этой климатической катастрофе на графике не заметно, оно маскируется «дрожанием» температуры возле точки «0».

Существует теория, что Малый ледниковый период связан с «Маундеровским минимумом» активности Солнца. В это время практически отсутствовали пятна на Солнце. В свою очередь, активность Солнца астрофизики связывают с интенсивностью солнечного ветра.

Рис.23. Один и тот же участок Темзы, Англия, зимой 1677 и зимой 2019 годов, https://www.higgypop.com/assets/588cea64cf059_1485630052_0.jpg

Солнечный ветер – это поток заряженных частиц, протонов и электронов, выбрасываемых вихрями плазмы, постоянно возникающими и исчезающими в верхней оболочке Солнца. При этом наше светило уподобляется огромному «синхрофазотрону», создающему смертоносные потоки заряженных частиц. Солнечный ветер, врываясь в атмосферу Земли, создает полярные сияния и радиационные пояса – накопители солнечного ветра, способные убить космонавтов. В период активности Солнца возникают помехи в радиосвязи и интернете. Солнечный ветер отбрасывает хвосты комет. Можно утверждать, что он является мощным потоком энергии. Существует теория, что если на Солнце исчезают пятна, то на Земле понижается температура.

Существует предположение, что солнечный ветер уничтожил атмосферу Марса. Более подробное описание свойств и происхождения солнечного ветра можно найти в электронной брошюре автора «Солнечный ветер, 2008», https://www.dropbox.com/s/obb911uybygdm1t/s6.doc?dl=0 . Цитируемое издание использовалось для организации учебных занятий по физике студентов УГТУ-УПИ, УрФУ и ЕАСИ, г. Екатеринбург, в 2008-2016 годах. Кроме того, современные сведения об этом важном явлении можно получить путем прямого поиска в интернете и на сайте МГУ http://www.astronet.ru/ .

Взрывы вулканов, астероидов и ядерных бомб

Резкие, ограниченные во времени изменения климата могут происходить в результате изменений прозрачности атмосферы. Их могут вызвать, в частности, взрывы супервулканов.

Рис.24. Извержение небольшого вулкана, https://cdn.fishki.net/upload/post/201509/06/1653340/6db0581a45ce8fcf20908c607c49c162.jpg

Что такое «супервулкан»? На рис.24 представлена фотография извержения одного из постоянно действующих на поверхности Земли вулканов. Но это – очень маленький вулкан. Его извержение не способно повлиять климат нашей планеты. Для возникновения климатической катастрофы необходимы извержения значительно большей мощности.

Одно из самых известных извержений было создано Везувием в 79 году н.э. При этом был полностью погребен под раскаленным пеплом цветущий город Римской империи Помпея. Но этот катаклизм также имел локальный характер.

Для оценки мощности извержения используется шкала VEI (от англ.Volcanic Explosivity Index). Измеряемой величиной служит объем выброшенных вулканических пепла и газов. Изменение объема в 10 раз соответствует сдвигу по шкале VEI на единицу. В частности, извержение Везувия сопровождалось выбросом 1 км3 «тефры» и квалифицируется 5-м рангом VEI , а Санторин, уничтоживший Минойскую цивилизацию на острове Крит примерно в 1600-1700 гг. до н. э., изверг 100 км3 , то есть имел мощность 7 баллов. Супервулканам присваивается высший индекс 8. К ним относится, в частности, Йеллоусоун, расположенный в Северной Америке. Его взрыв 2 млн л. до н. э. выбросил 2500 км³ раскаленного пепла, который покрыл четверть территории Северной Америки.

Рис.25. Картина К. Брюллова «Последний день Помпеи».

Наиболее близкий к нашему времени взрыв супервулкана Тоба произошел на о. Суматра, Индонезия, в 70-77 тыс л. назад. В результате этого происшествия на Земле в течение 6-10 лет шли сернистые дожди и продолжалась вулканическая зима. Это же послужило причиной последующего тысячелетнего похолодания. По мнению некоторых ученых произошло явление «бутылочного горлышка», когда численность предков людей сократилась до критических 2-х тысяч особей.

Вулканическая деятельность приводит к двум трендам изменения климата. Пепел и капли серной кислоты поглощают солнечный свет и ведут к похолоданию. Появление же парниковых газов, углекислого, сернистого и других – к потеплению. Крайнюю степень глобального потепления демонстрирует климат Венеры. Радиолокационные наблюдения позволили обнаружить на ее поверхности огромное (105 -106 ) количество потухших и действующих вулканов, рис. 26.

Высказано предположение, что некое событие, происшедшее 500 миллионов лет назад, вызвало расплавление поверхности Венеры и создало атмосферу, состоящую на 97% из парниковых газов CO2 и SO2 .

Помимо вулканов, выбросы пыли, вызывающие катастрофические похолодания, могут вызываться также падением на Землю астероидов или комет. Комплекс процессов, возникающих при столкновении, называется «импактным событием». Мощность события определяется размером небесного тела. Установлено, что астероид размером 200 м способен разрушить жизнь людей на территории целого континента. Последствием падения являются ударная волна, термическое воздействие и выброс пыли.

Падение крупных астероидов в истории Земли неоднократно приводило к экологическим катастрофам. Классическим является сценарий падения астероида 65 млн. лет назад, который, по-видимому, привел к гибели динозавров.

Рис. 26. Фотография вулканической поверхности Венеры, https://i.artfile.ru/1152x864_161100_[www.ArtFile.ru].jpg

Из всех известных, наибольшую опасность для Земли представляет в настоящее время астероид Апофис диаметром около 300 м. Он пролетит мимо Земли в 2036 году. Правда, столкновение считается маловероятным. Однако пояс астероидов и облако Оорта являются постоянным источником новых опасных астероидов и комет. В настоящее время разрабатываются мероприятия по обнаружению новых, более опасных космических объектов, а также возможные меры воздействия на них.

Климатическое воздействие взрыва мощной ядерной бомбы называется «ядерная зима». По расчетам климатологов, она может развиться в результате широкомасштабной ядерной войны. Его климатическое действие подобно мощному импакту.

Профессор В.В. Александров и академик Н.Н.Моисеев в 1983 году при помощи биосферной математической модели «Гея» сделали прогноз последствий применения мощных ядерных зарядов. Они показали, что при суммарной мощности ядерных взрывов в 10 000 мегатонн солнечный поток у поверхности Земли сократится в 400 раз, возникнет глобальная ядерная ночь. Время самоочищения атмосферы составит приблизительно 3-4 месяца. В отдельных районах Земли похолодание может достигнуть 30-50 градусов! Правда, применение десяти тысяч ядерных боеприпасов по одной мегатонне каждая – достаточно проблематичный сценарий. Но проверять не хотелось бы.

Синергетика Гольфстрима и других потоков

Резкое похолодание зимы 2021-го года заставило исследователей обратить внимание на крайнюю неустойчивость системы ветров и океанских течений Земли. Основные течения представлены на схеме рис.27.

Рис.26. Циркуляция океанских течений, красные – теплые, синие – холодные воды, https://www.kp.ru/daily/27245.5/4374098/?utm_referrer=https%3A%2F%2Fzen.yandex.com

Важнейшая особенность циркуляции воздуха и воды на Земле (и других планетах) – синергетический характер их возникновения. Наиболее известное из таких течений – Гольфстрим. Он называется «грелка Европы», потому что переносит тепло от экватора к Северной Америке и Европе. Течение возникает самопроизвольно. Нельзя найти каких-либо насосов или других машин, которые перекачивают воду в Атлантике, на протяжении нескольких тысяч километров. Существуют и иные течения, в частности, Куросио в Тихом океане и т.д.. Существуют и воздушные синергетические структуры: сезонные ветра, циклоны, антициклоны, ураганы, пассаты, ячейки, струйные течения и множество других.

Подробное описание процессов возникновения циркуляции воды и воздуха на поверхности Земли, требует отдельной книги. Отметим лишь, что они возникают синергетически, то есть самопроизвольно, катастрофично и непредсказуемо. Одной из научных сенсаций последних лет послужила теория возможной остановки Гольфстрима и последующего охлаждения северных областей Европы и Америки. Согласно этой теории в ближайшие 500 лет может произойти формирование нового ледникового периода, https://www.kp.ru/daily/27245.5/4374098/?utm_referrer=https%3A%2F%2Fzen.yandex.com .

Заключение

Тема «Климатические катастрофы» использовалась ранее автором для проведения самостоятельных занятий студентов ряда вузов Екатеринбурга: УрФУ, ЕАСИ и УрТИСИ,, реализуемых как в аудиторном, так и в удаленном (для заочников) форматах. Ряд особенностей предлагаемой методики подробно отражен в статье автора: «Sachkov, I., Kuanishev, V., Turygina, V., Ford, V., & Matkovskaya, A. (2019). Methods of introducing scientific achievements over the last seven years into the physics course. CEUR Workshop Proceedings, 2562, 185-191».